Modellen van Moleculen

Moleculen bestaan uit atomen, de kleinste bouwstenen van elementen. Door atomen te combineren kunnen we oneindig veel moleculen maken, die verbindingen (stoffen) vormen met verschillende eigenschappen.
Voorbeelden van (de ruim 100) elementen zijn waterstof (H), koolstof (C), zuurstof (O), chloor (Cl), ijzer (Fe), etc.
Het aantal mogelijkheden is oneindig, maar we kunnen niet willekeurig atomen combineren; er blijken bepaalde regels te gelden. Die gaan we hier onderzoeken, aan de hand van molecuulmodellen.

De weergave van een molecuul, als tekening of op het scherm, is een model en geen voorstelling van de werkelijkheid. Vergelijk het met een kaart die een landschap voorstelt. Dat is geen verkleinde vorm van het landschap, maar een tekening waarin alleen dat waarin we geïnteresseerd zijn schematisch weergegeven is.

Zo ook bij moleculen. De tekening links geeft aan dat we het molecuul methaan opgebouwd denken uit één koolstof-atoom (C) met daaromheen vier waterstof-atomen. Zo'n streepje tussen twee atomen noemen we een binding. Het plaatje rechts toont hoe we ons dat ruimtelijk voorstellen. Draai het model met de linkermuisknop ingedrukt.

       

Uit dit model kunnen we al een wetmatigheid afleiden: aan een koolstofatoom kunnen we vier andere atomen koppelen, aan een waterstofatoom maar één. Op basis van deze simpele regel kunnen we al een oneindig aantal moleculen in elkaar zetten, door steeds een H-atoom te vervangen door een C-atoom en daar drie H-atomen aan toe te voegen.
Doe dit beginnend met methaan en maak een molecuul met vier koolstofatomen. Bereken de structuur en noteer de vormingswarmte. Meet ook een aantal hoeken die bindingen met elkaar maken.

Probeer vervolgens een zes-ring van C-atomen te construeren. Maak eerst een gebogen keten van vier, bereken deze en ga dan verder met het toevoegen van de andere twee. Op het laatst moeten twee H-atomen verwijderd worden (vervangen door XX) op de plaats waar de ring gesloten moet worden.
Noteer weer de vormingswarmte van het eindresultaat, cyclohexaan.
   

Een andere mogelijkheid is dat we twee streepjes (een dubbele binding) tekenen tussen twee koolstofatomen. Er blijven dan minder bindingen over voor H-atomen. Deze verbindingen kenmerken zich door een andere geometrie rond de C-atomen: alle atomen liggen in één vlak. We noemen deze verbindingen (het voorbeeld is etheen of ethyleen) onverzadigd omdat ze minder waterstof-atomen bevatten dan theoretisch mogelijk is: vier i.p.v. zes.

In de organische chemie of koolstofchemie treffen we natuurlijk meer soorten atomen aan dan alleen koolstof en waterstof. Een derde element, dat ook ruim vertegenwoordigd is, is zuurstof, aangeduid met de letter O. Aan een O-atoom kunnen we twee bindingen tekenen, twee enkele naar een C, H enzovoort, of een dubbele, meestal naar een koolstofatoom. Hieronder staan enkele voorbeelden.

ether alcohol: ethanol keton: aceton azijnzuur ester: methyl acetaat
Bijzondere voorbeelden, met stukjes van grote moleculen:
een polymeer, PVCruimtevullend
een biopolymeer, cellulose (zonder waterstofatomen!)
een eiwitcartoon die het verloop van de keten laat zien.
de DNA dubbele helix cartoon
geen molecuul, maar een kristal: keukenzout. Elk groen atoom, chloor, is omringd door 6 rode natriumatomen, en elke natrium door zes chlooratomen.

Naar de Terug Moleculen in beweging.